燃料电池商用车低温启动过程中的能量流分析

王国卓 王志军 郭婷 聂振宇 吴诗雨

（1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津300300；2.中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津300300）

主题词：燃料电池汽车 低温启动 能量流

BAT Battery

FC Fuel Cell

FCV Fuel Cell Vehicle

SOC Stateof Charge

NEDC New European Driving Cycle

CLTC China Light-duty Vehicle Test Cycle

1 引言

燃料电池汽车（FCV）由于具有环保、噪声小、效率高的优点，近年来在国内外受到了广泛的关注，并且全球范围内多家汽车制造厂商纷纷推出FCV产品，包括商用车和乘用车。与纯电动汽车充电时间较长这一特点相比，FCV在5 min左右即可完成一次氢气加注，极大地方便了用户的出行。另外，动力电池在低温下面临着性能衰减、续驶里程“缩水”的问题，而燃料电池的使用可以缓解这些问题。然而，FCV在推广应用的过程中仍然存在诸多制约因素，例如当车辆在低温环境（低于0°C）下停放时，燃料电池内部残留的水可能会结冰，对车辆下次的启动造成干扰；车辆在低温下启动时，燃料电池产生的水可能会重新结冰，堵塞反应气体的通道；另外，当燃料电池温度低于正常工作温度（60～80°C）时，其输出性能也会下降，因此，有必要对FCV的低温启动过程进行研究。目前国内外的研究人员提出了多种低温启动方案，包括停机吹扫、停机后电池继续低电流运行、外部热源加热的方式，这些方式都离不开FCV的能量管理策略的实施。Wang等以NEDC循环和CLTC循环为例，对车辆怠速和运行工况下的能量流进行了分析和研究；Hao等提出了一种适用于插电式和非插电式混合动力燃料电池汽车的电能消耗率的测试方法；Shen等设计了一种FCV的能量管理方案，通过使用最优控制原理，降低了氢气消耗量，提高了系统性能。因此，对FCV工作过程中的能量流进行分析，可以了解汽车的能量分配策略，有助于优化汽车的能量管理模式、提高整车的系统效率、提高FCV低温启动能力。

本文针对燃料电池商用车低温启动过程，分析了其能量流控制策略及能量变化过程，研究了动力电池和燃料电池在FCV的能量管理中的作用，为企业技术提升提供一定的参考。

2 燃料电池汽车的工作原理

FCV的能量主要来源于燃料电池。单片燃料电池的理论输出电压为1.23 V，但由于燃料电池工作时存在活化极化、欧姆极化和浓差极化因素，因此燃料电池的工作电压随着输出电流的增大而减小，燃料电池的性能曲线如图1所示。而极化作用所损失的能量则转化为热量，可以用来加热燃料电池自身，其产热功率可由下式计算：

图1 燃料电池性能曲线

单片燃料电池输出的功率有限，为了满足实际应用需要，FCV通常使用由多个单片燃料电池组成的电堆。从图1中可以看出随着电流的变化，燃料电池的输出功率密度呈现先增大后减小的趋势。FCV在实际道路行驶过程中会遇到多种工况，如加速、减速、爬坡、怠速、启停，这需要FCV的输出功率能够满足不同的使用工况。尤其是当FCV在低于0°C的环境下停放后，如果只用燃料电池作为能量来源，再次启动很可能会启动失败，因此FCV通常同时装备燃料电池和动力电池，依靠燃料电池和动力电池共同配合来保证稳定的功率输出，其能量结构如图2所示。

图2 燃料电池汽车动力系统结构

燃料电池的输出功率P可以用以下公式计算：

式中，为电流；为电压；下标表示燃料电池。

动力电池的输出功率P可以用下式计算：

式中，下标表示动力电池。

燃料电池的输出能量E可以用以下公式计算：

式中，为总采样时间。

动力电池的输出能量E可以用下式计算：

对于动力电池，其电流存在以下2种状态：

车辆运行过程中燃料电池和动力电池输出的总能量：

燃料电池输出能量的贡献率η：

3 车辆低温启动过程中的能量流控制策略

以一款燃料电池客车为例，分析FCV在低温启动工程中的能量流控制策略以及能量变化。该车的外型尺寸为12.0 m×2.6 m×3.8 m，电机功率为170 kW，燃料电池堆的额定功率为150 kW，动力电池的额定电压为630 V。

在FCV的低温启动试验中，车辆在环境仓中达到-30°C后首先浸车12 h，保证整车温度都能降低到指定温度，然后开始启动。首先蓄电池开始工作，并为动力电池加热。当动力电池升高到一定温度后，动力电池开始工作，同时为燃料电池加热；此时车辆各部分的能量主要由动力电池提供。当燃料电池温度升高到一定温度后，燃料电池开始启动。根据T/CSAE 122-2019《燃料电池电动汽车低温冷起动性能试验方法》，如果燃料电池的输出功率达到厂商规定值后可以继续稳定运行不少于10 min，则可以认为低温启动成功。启动成功后，燃料电池作为车辆的主要能量源开始为动力电池充电，并且为空调、空压机、氢泵等一系列附件供电；动力电池由功率输出转为功率输入，进入充电状态。在本文的测试中车辆保持怠速状态，并开启空调暖风为座舱内供暖。

本文通过分别测量燃料电池和动力电池的输出电压及电流，计算燃料电池和动力电池的能量变化，并以此来计算车辆其它附件的能量消耗。

4 试验结果及分析

本文试验所测试的FCV的初始为50%，从蓄电池工作开始计时，至燃料电池以稳定功率运行满10 min为止，在这个过程中，燃料电池、动力电池、其它附件的功率变化如图3所示。

图3 燃料电池汽车低温启动过程中功率变化

从图中可以看出，在启动的前289 s由蓄电池为车辆提供低压电，此时燃料电池和动力电池均无功率输出。在289 s以后动力电池启动，并为燃料电池加热，工作电压为631 V，功率为6.4 kW左右，此时车辆已经可以正常工作。在336 s开始启动燃料电池电堆，电堆以7.3 kW左右的较低功率运行，此时燃料电池和动力电池同时为车辆输出能量。燃料电池以较低功率运行，一方面可以降低产水量，避免在温度升高到0°C以前燃料电池内发生结冰堵塞，另一方面也可以依靠极化损失产生的热量为燃料电池自身加热。在第455 s燃料电池功率开始升高，此时动力电池由功率输出转为功率输入，说明燃料电池开始为动力电池充电。从第470 s开始，燃料电池的功率稳定在72 kW左右，并持续稳定运行10 min以上，低温启动成功。

在FCV稳定怠速运行期间，燃料电池持续为动力电池充电，并为车辆的其它附件提供能量。由于在509 s开启空调为乘员舱内供暖，动力电池的充电功率降为30～40 kW，平均值为35 kW，动力电池消耗的功率占燃料电池发电功率的48.6%。

FCV在低温启动过程中，燃料电池、动力电池发电量和其它附件耗电量的变化如图4所示。在燃料电池功率升高至最大稳定功率前，动力电池总共提供了0.17 kW·h的能量。在燃料电池启动后，燃料电池发电量和其它附件耗电量的差值即为燃料电池为动力电池充电消耗的电量。从燃料电池启动至稳定功率运行之间的阶段，燃料电池总共产生了0.42 kW·h的能量，因此在FCV低温启动的过程中，动力电池提供的能量相当于燃料电池提供能量的40.5%，燃料电池输出能量的贡献率为71.2%。

图4 燃料电池汽车低温启动过程中发电量和能量消耗

在燃料电池稳定运行阶段，燃料电池的发电量为11.96 kW·h，其中为动力电池充电消耗了6.25 kW·h，为其它附件的工作提供了5.71 kW·h。为动力电池充电消耗的能量占燃料电池发电量的52.3%，超过了燃料电池发电量的50%，不过当其它附件的用电需求增加或者动力电池电量充满以后，这一比例会有所降低。

5 结束语

本文分析了当前燃料电池汽车在低温启动过程中的能量流，结果表明，FCV在启动初期，需要依靠动力电池作为主要能量来源，当燃料电池能够持续稳定运行时，燃料电池才会作为主要能量来源。当车辆怠速运行并开启采暖时，为动力电池充电消耗的能量超过燃料电池发能量的50%，如果车辆正常行驶，该比值会有所降低。在将来的研究中，应继续优化燃料电池的性能，提高燃料电池低温自启动的能力；其次可以通过优化整车能量管理策略的方式，使燃料电池产生的能量尽可能地向其它附件倾斜，提高车辆的能量利用效率。

致谢

感谢中汽中心科研项目“燃料电池汽车能量管理与续驶里程测试评价研究（20220118）”对本文提供的支持。